摘要：本文阐述了采用声发射、磁记忆检测技术进行压力容器在线检验的方法，给出了400ｍ３氧气球罐典型案例的检测方案和检测数据。检测结果表明，磁记忆检测技术可以对压力容器焊缝区域进行预诊断；声发射技术可以对容器存在缺陷的活动状况作出评价；声发射加磁记忆检测为主的方法可以实现压力容器的在线检测和安全评价；压力容器的在线检测，可既不影响生产，又保证容器安全使用；既缩短检验时间提高检验效率，又为用户带来较高的经济效益。

关键词：压力容器、声发射、磁记忆、在线检测、安全评价

一、概述
在压力容器的制造和使用中，安全性和经济性是其主要使用原则，所以在《压力容器安全技术监察规程》和《在用压力容器检验规程》中规定，在用压力容器必须进行定期检验以保证压力容器的安全运行。在定期检验中，无损检测是其最重要的部份，通常我们采用射线、超声、磁粉或渗透等常规无损检测方法对焊缝进行抽查或100%检查，对于超标缺陷一般应返修。但这样费时费工，费用昂贵，而且检修工期长。本着“合乎使用”的原则，对所发现的超标缺陷处理，我国相继出台了CVDA《压力容器缺陷评定规范》等相关规范，允许对一些存在超标缺陷的压力容器采用断裂力学进行安全评定，但即使是这样，也需要用常规无损检测方法来确定缺陷的尺寸，这样不但增加了大量的工作量和费用，而且缺陷参数选取的不准确也会影响断裂力学的评定结果。但以上方法在实际应用过程中也存在许多问题和不足。有时，仅靠常规无损检测方法较难区分哪些缺陷是危险的，哪些是安全的，并且，缺陷评定也受到无损检测水平的影响。特别是对于1985年以后在严格监管下制造的压力容器，在花费大量的人力物力通过常规无损检测方法进行全面开罐检验后，并没有发现任何危险缺陷，这实际上对用户造成了很大的经济负担。由于在实际生产中，对于检验周期到期而不能停产的容器，用常规无损检测方法是无法进行在线检测和安全评价的。因此，发展一种快速、可靠的压力容器在线检测技术，在不影响容器安全使用的情况下对其进行安全评价是十分有意义的。
二、声发射检测原理及主要特点
声发射，是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象,这种现象叫声发射。声发射信号再经放大、处理后，形成其特性参数，并被记录与显示。最后，经数据的解释，评定出声发射源的特性。一般而言，对超标声发射源部位，要用其它无损检测方法进行复检，以准确确定缺陷的性质与大小。基本原理详见图１。

图1 声发射技术基本原理
与其它无损检测方法相比，声发射技术具有两个根本的差别：①检测动态缺陷，而不是检测静态缺陷，如缺陷扩展；②缺陷本身发出缺陷信息，而不是用外部输入对缺陷进行扫查。
压力容器声发射在线检测一般要求是对于有些在役压力容器已到检验期，或者有些带缺陷运行，但由于生产需要确实不能停产，可以采用声发射技术进行在线检测。检测步骤如下：①将容器工作压力调整到工艺所允许的最低工作压力，再采用相应介质逐步提高容器的工作压力并同时进行声发射检测，直到介质的压力达到工艺所允许的最高工作压力；②对采集的声发射信号进行分析，给出容器可以安全使用的工作参数。
三、磁记忆检测原理及主要特点
铁磁材料在应力作用下具有磁机械效应和磁弹性效应。金属在应力作用下，内部会产生位错运动，形成滑移。当位错运动受到阻碍时，会产生应力集中，即使外应力撤除，由于弹塑性约束，仍有残余应力存在。同时，金属中残余应力的存在，会使结构中自由能增加，根据研究表明，按照力学观点，体系中自发进行的过程是降低体系自由能的过程，故对铁磁构件来说，为了降低体系的自由能，其应力集中区在地球磁场作用下，必会产生磁畴的自发转动，形成磁极，以磁能的形式抵消部分应力集中带来的弹性能。其结果必定会在金属表面形成特定的漏磁场，从而产生磁记忆。通过测量该漏磁场的分布特征，可以得到构件应力集中部位及大小分布，从而检测到造成应力集中区及缺陷的位置。
磁记忆诊断技术与现有的漏磁检测方法相比，其主要特点是：①能实现对大型承压设备的快速检测，可检测出构件中的缺陷及将来可能产生缺陷的部位，从而为构件中的缺陷检测提供先导的定位方法。②不需要专门的磁化设备就能对铁制工件进行可靠的检测。③不需对被测工件的表面进行清理或其它预处理。④能够实现对锅、容、管、特设备的在役检测。
现在声发射和磁记忆检测已经作为新兴的无损检测方法应用在锅炉压力容器和压力管道的的检测中。由于声发射检测速度快、周期短、且所发现的缺陷为活动性缺陷；又由于磁记忆检测过程中不需要对容器加载，操作简便，可对铁磁性容器焊缝区域早期损伤区域进行预诊断；因此采用声发射加磁记忆检测可以实现比较理想的不停产的情况下的在线检测(一般步骤见图２)。从而既确保被检设备的安全运行，又能为用户带来较大的经济效益。

图2 压力容器在线检测框图
四、检测实例
南昌钢铁股份有限公司有一台400m3球罐（编号941A004），其检验周期已到，由于该罐是整个生产装置的气源，一旦安排开罐检验，势必造成整个企业停产，由此造成的损失巨大。考虑到这些因素，我们采取用声发射整体监测并结合磁记忆以及常规无损检测方法对该罐进行不开罐在线检测。
（一）球罐的基本情况
设计压力：2.94MPa
内径：9200mm
设计温度：50℃
工作介质：氧气
材质：16MnR
壁厚：50mm
该罐工作压力为1.6~2.5MPa，检测前一个月最大工作压力为2.3MPa，由于该罐在安装时基础沉降过大，所以上次检验时未做水压试验。
（二）声发射检测
1、检测仪器
我们检测使用的仪器为北京科海恒生科技有限公司生产的32通道CTAE-2001声发射仪，其检测频率为100~300KHz。利用点定位、线性定位、三角定位并结合信号处理技术可以较好地对缺陷进行定量和定位。
2、传感器的布置
根据球罐的容积采用20个探头以三角定位阵列均匀布置在球罐外壳上，如图3、图4所示。

图3 探头分布示意图

图4 探头展开图及探头间距
3、加载和测试
由于该罐检测前一个月所运行的最大工作压力为2.3MPa，根据声发射检测标准的要求，试验压力为1.1倍最大工作压力，约等于2.6Mpa。我们采用制氧系统的氮气对球罐升压，压力从1.0MPa到2.6MPa，并在2.6MPa 压力时保压10分钟，在加压和保压的同时进行声发射信号采集。采集结束后并对所发现的有意义的信号源进行标定。如图5、图6所示，在升压过程中，在（8、14、15）、(15、16、20)三角区间各发现一个有意义的声发射源１#、２#，源的活度为弱活性，强度为中强度，综合评定为Ｃ级源。其它一些为分散的声发射源，经数据分析属于Ａ、Ｂ类源。经现场标定，两个Ｃ级源分别位于６＃支柱角焊缝和Ｂ14、B15之间的对接焊缝上(具体部位见图8),其它Ａ、Ｂ类声源经标定均未在焊缝上。按我国现行标准GB/T18182-2000《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》要求，对两个Ｃ级声发射源部位进行常规无损检测方法（超声、磁粉检测）复验，其它声发射源不需复验。详细结果见表１。

图5 加载程序图

图6 声发射信号显示
（三）磁记忆检测
1、检测仪器
采用俄罗斯动力诊断公司的TSC-1M-4型应力集中磁测仪，四通道专用磁记忆探头，两维显示，分析软件为MMM-systen 2.53e。
2、检测时机
检验前期工作准备好后，在罐体焊缝区域不打磨情况下，首先进行100%磁记忆检测。
3、检测方式
用专用磁记忆探头（小推车）沿着焊缝轴线方向扫查。发现有磁记忆信号时，应增加垂直于焊缝轴线方向扫查。扫查速度0.25m/s,测量步长2mm,探头间距12mm。
4、典型磁记忆检测信号
整个球罐在进行了100%磁记忆检测后，发现６处有效磁记忆信号源（编号为1,2,3,4,5,6。详见图8所示。），经常规无损检测方法（超声、磁粉检测）复验，复验结果见表１。如图7是在球罐下半区Ｄ１１焊缝外表面裂纹磁记忆检测情况。
（四）其它方法的检测
在声发射检测结束后，先对声发射检测时所发现的有意义的信号源及磁记忆检测时发现的应力集中部位进行超声和磁粉检测复验。再对其它球罐外表面焊缝进行100%磁粉探伤，对对接焊缝丁字接头进行100%超声波探伤。

图7 941A004#球罐外壁横向裂纹与磁记忆信号图
（五）检测结果分析
检测结果详见表１,声发射、磁记忆信号部位图见图8
具体检测结果分析如下：
1、在焊缝区域发现６处有效磁记忆信号，主要分布在BC、CD、D11等对接焊缝区域和6＃支柱角焊缝上，在随后的磁粉、超声复验结果表明，其中，有５处（磁记忆信号编号为２、３、４、５、６）发现了超标缺陷，对应效果良好。１处（磁记忆信号编号为１）复验虽无缺陷，但应予以充分重视，并应作为下次检测重点部位。
2、在声发射检测中发现两处Ｃ级声发射源，在东南方向支柱（6＃）与球壳角焊缝处有一处（声发射定位源编号为１＃）活性为弱活性、强度为中强度、综合等级为C级的有效声发射源，经磁粉探伤发现一处表面裂纹，与磁记忆检测（磁记忆信号编号为６）结果相同。后经打磨消除。另一处Ｃ级声发射定位源２#,经超声、磁粉复验，无缺陷。

表１：400m3氧气球罐声发射、磁记忆检测结果对照表

图8　声发射、磁记忆检测信号部位图
3、上述检测中，超声探伤发现的３处超标的内部缺陷，和磁记忆检测（磁记忆信号编号为２、３、４）结果一致。但这３处缺陷处均未出现有效的声发射信号源，说明这些缺陷处于非活动状态。
4、磁粉检测中在正西方向D11焊缝发现一条长约４０mm,最大深度为３.5mm的表面裂纹，此处磁记忆检测信号（磁记忆信号编号为５）强烈。但是，由于在该处未出现有效的声发射信号源，对于该处裂纹我们采用裂纹测深仪进行重点监测，监测结果显示，裂纹的长度和和深度均未发生改变。说明了裂纹处于非活动状态，同时也验证了声发射检测的准确性。故该台球罐在2.3MPa工作压力下继续使用是安全的。推荐的最大工作压力由用户根据需要，不大于2.3MPa均可，对下一次检验周期仍按《检规》并根据容器实际情况给出。实际工作中如还有必要可用断裂力学计算结果对上述参数进行验证。
五、结论
(一)、磁记忆检测可检出焊缝区域的应力集中部位。可为铁制构件中的缺陷检测提供先导的定位方法；检测后对应力集中部位进行常规无损检测方法复验，一般都能检测出缺陷；复验无缺陷处，仍应予以充分重视，并应作为下次重点检测部位；无磁记忆信号区域一般无缺陷。所以，磁记忆检测技术可对压力容器焊缝区域进行预诊断。
(二)、如果在声发射检测中未发现有意义的声源，即可表明该容器不存在活动的危险缺陷，可以安全使用；即使是原来存在有超标缺陷，但这些缺陷不扩展，对容器的使用也是安全的。如果发现高能量的声发射源，可以对这些缺陷部位精确定位，有针对性地检查处理，以消除这些活性缺陷带来的隐患。
采用声发射技术可以对容器存在缺陷的活动状况作出评价，保证危险缺陷的检出率，减少常规无损检测的工作量，提高检验效率。
(三)、声发射加磁记忆为主的检测方法可实现压力容器的在线检测和安全评价。对于检验周期到期而不能停产的压力容器，常规无损检测方法无法进行在线检测和安全评价。声发射、磁记忆检测的优点则弥补了常规无损检测方法的不足。
(四)、声发射、磁记忆检测作为一种新的检测手段，其所发现的有效信号的判定仍需依赖于其它无损检测方法。因此，它们不能完全替代传统的方法，但将它们用于压力容器的在线检测，却可以起到了关键性的令人满意的作用。